Effektive Wärmeleitfähigkeit von Dispersionen mit einer flüssigen kontinuierlichen Phase

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Paul Fröba
• Fachliche Zuordnung: Technische Thermodynamik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 463473804

Dispersionen mit einer flüssigen kontinuierlichen Phase sind heterogene Systeme, die aus einem flüssigen Dispersionsmedium und einer dispergierten Phase von kolloidalen Partikeln bestehen. Eine für die Beschreibung der Wärmeübertragung in Dispersionen wichtige Stoffeigenschaft ist deren effektive Wärmeleitfähigkeit (EWL). In der Literatur berichten viele Studien, dass durch Zugabe einer geringen Menge an festen Nanopartikeln zu Flüssigkeiten die EWL von Nanofluiden außergewöhnlich stark im Vergleich zum Basisfluid erhöht werden kann, während andere keine signifikante Steigerung beobachten. In der bis heute andauernden Diskussion über die die effektive Wärmeleitung in Nanofluiden beeinflussenden Mechanismen werden als wesentliche Faktoren die Brownsche Bewegung der Partikeln, die Fluidschicht um deren Oberflächen und Partikelaggregation sowie eine Kombination dieser Effekte in Betracht gezogen. Dies spiegelt sich in entsprechenden Modellierungsansätzen für die EWL wider, welche oftmals stark voneinander abweichende Vorhersagen liefern. Die anhaltende Debatte über die EWL von Dispersionen ist auch mit der Zuverlässigkeit der experimentellen Methoden verknüpft. Im beantragten Projekt soll ein Beitrag zu einem grundlegenden Verständnis der EWL von Dispersionen mit einer flüssigen kontinuierlichen Phase geleistet werden, indem in solchen Dispersionen relevante und bis heute kontrovers diskutierte Einflussfaktoren untersucht werden. Hierbei liegt der Fokus auf den Wärmeleitfähigkeiten der dispersen und der kontinuierlichen Phase sowie der Morphologie der dispergierten Partikeln und deren Aggregation. Außerdem sollen Schlussfolgerungen über die Einflüsse eines thermischen Widerstands an der Partikel-Fluid-Grenzfläche und der Brownschen Partikelbewegung auf die EWL gezogen werden. Zur Studie dieser Effekte sind Untersuchungen von ausgewählten Dispersionen, die aus festen oder flüssigen Partikeln im Nanometerbereich in einer flüssigen kontinuierlichen Phase bestehen und unterschiedliche physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen, auf theoretische Weise und experimentell mittels einer stationären Plattenapparatur vorgesehen. Die Messdaten dienen zusammen mit kritisch evaluierten Literaturdaten als verlässliche Datenbasis für die Analyse der genannten Effekte auf die EWL. Zudem soll die Frage beantwortet werden, inwiefern die für Dispersionen mit festen Partikeln erhaltenen Erkenntnisse auf solche mit flüssigen Partikeln übertragen werden können. Zur Charakterisierung der Dispersionen hinsichtlich Größe und Gestalt der Partikeln als wesentliche Einflussgrößen auf die EWL soll Information über den Translations- und Rotationsdiffusionskoeffizienten mittels der dynamischen Lichtstreuung erhalten werden. Auf Basis der experimentellen und theoretischen Betrachtungen sowie unter Berücksichtigung bestehender Ansätze soll eine verallgemeinerte Vorhersagemethode für die EWL von Dispersionen mit einer flüssigen kontinuierlichen Phase entwickelt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen